chd第2章工程结构钢

第2章工程结构钢概念指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，如制造桥梁、船体、油井或矿井用钢、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。组织热轧态或正火态使用的低C钢;组织为F+P;B或M。性能要求足够高的强度、良好的塑性;适当的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击韧性;良好的工艺性能。大桥船舶屋架压力容器工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%（质量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。5碳素结构钢1、碳素工程结构钢的分类、成分及性能特点1)编号Q＋屈服点＋质量等级＋脱氧Q：表示屈服强度屈服点：分为5个等级：195，215，235，255，275（MPa）6质量等级：分A，B，C，D四个等级，表示对冲击试验的要求不一样。A：不要求，B：20℃时≥27J。C：0℃时≥27J，D：－20℃≥27J。脱氧：镇静钢：不表示。沸腾钢：F；半镇静钢：b。72)特点：(1)碳含量较低。0.06-0.38%C(2)热轧态供货，不需热处理，组织为F＋P。(3)S，P含量随质量等级提高而减少。3)用途主要用于工程结构钢。产量大。2、Me对钢组织、性能的影响碳素工程结构钢中的基本元素是Fe、C、Mn、Si、S、P1）CC强度上升，塑韧性下降，焊接性能下降、冷脆性及时效敏感性增加；2）MnMn是残留物，可以减轻S的有害性；3）Si作为脱氧剂残留于钢中，可提高钢的强度硬度及弹性，降低塑韧性；4）S炼钢中残留的有害物质（热脆）。5）PP也为有害物质（冷脆）。H-氢脆O-夹杂有害物质3、常用碳素工程结构用钢3）Q235C量适中，是最通用的工程构件用钢之一，具有一定的强度、塑性及良好的焊接性；5）Q275C、Si、Mn含量较高，具有较高的强度及硬度较好的塑性及耐磨性，而塑性较低。4）Q255良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。2）Q215C、Mn含量低，强度不高，塑韧性好，同时具有良好的焊接性能及工艺成型性。1）Q195C、Mn含量低，强度不高，塑韧性高；Q195（0.06-0.12%C）、Q215（0.09-0.15%C）、Q235（A（0.14-0.22%C）、B（0.12-0.20%C））、Q255（0.18-0.28%C）、Q275（0.28-0.38%C）碳素结构钢的钢号用屈服强度表示。这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件。屈σsQ1952.1工程结构钢的基本要求工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50~100℃范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役条件生产工艺焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术要求1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；2、良好的焊接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性；4、低的成本。组织热轧态或正火态使用的低C钢;组织为F+P;B或M。性能要求足够高的强度、良好的塑性;适当的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击韧性;良好的工艺性能。2.2低合金高强度结构钢的合金化2.2低合金高强度结构钢的合金化1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK为-50℃，0.3%C，TK为50℃一般均应限制在0.2%以下Si最常用且较经济的元素。强化F较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在1.1%Mn固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可大为降低塑韧性.所以Mn控制在1.8%。Nb\VTi\Al形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。作用顺序:TiNbAlV。Re脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。合金元素对低合金高强度钢的固溶强化钢的韧－脆转折温度与碳含量的关系（a）强化机制的影响（b）成分的影响图铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强度和韧-脆转折温度的影响细化晶粒的主要措施有：1）用Al脱氧时形成AlN质点；2）用Ti、Nb、V等元素合金化时形成碳化物、氮化物以及碳氮化物（如图所示）3）用Cr、Ni、Mn等元素降低A3温度，使奥氏体在更低温度转移而细化铁素体晶粒和珠光体区域。沉淀强化利用V、Nb、Ti的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物，产生沉淀强化。微合金钢中的主要沉淀强化相有VC、NbC、TiC以及Nb(C,N)等。2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强度与韧性，没有裂纹及各种缺陷。控制CC↑→焊缝处硬化与脆化倾向↑，焊接裂纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu，0.05~0.15％P。↑P，冷脆和时效倾向增加。→用Al脱氧→细晶粒钢。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B时效现象低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室温或较低温度下放置一段时间，钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）产生原因C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，AK120J，十天后降为35J；焊接钢板在三个月后由92J降为33J。当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等常用工程结构钢铁素体-珠光体（F-P）钢碳素工程结构钢低合金高强度钢微合金钢低碳贝氏体钢和马氏体钢低碳贝氏体钢针状铁素体钢低碳马氏体钢双相钢2.3铁素体-珠光体钢最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPaF-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。1、常用碳素工程结构用钢3）Q235C量适中，是最通用的工程构件用钢之一，具有一定的强度、塑性及良好的焊接性；5）Q275C、Si、Mn含量较高，具有较高的强度及硬度较好的塑性及耐磨性，而塑性较低。4）Q255良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。2）Q215C、Mn含量低，强度不高，塑韧性好，同时具有良好的焊接性能及工艺成型性。1）Q195C、Mn含量低，强度不高，塑韧性高；Me对钢组织、性能的影响•碳素工程结构钢中的基本元素是Fe、C、Mn、Si、S、P1）CC强度上升，塑韧性下降，焊接性能下降、冷脆性及时效敏感性增加；2）MnMn是残留物，可以减轻S的有害性；3）Si作为脱氧剂残留于钢中，可提高钢的强度硬度及弹性，降低塑韧性；4）S炼钢中残留的有害物质（冷脆）。5）PP也为有害物质（冷脆）。H-氢脆O-夹杂有害物质2、低合金高强度结构钢（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.25%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，加很少Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。•Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；•Mn的含量在1%~1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，同时，锰还使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性。•Mn的加入还可使Fe--Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。低合金高强度结构钢的特点设计准则（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。（4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。•Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态；•P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能；•Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。低合金高强度结构钢的特点低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术——2004年度国家科学技术进步一等奖主要特点超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善环境，↓成本，具有更高的经济效益。如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术和难点。具体指标采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到2-5μm（碳钢）和1～2μm（微合金钢）。碳钢的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金钢由350～400MPa提高到600～700MPa。低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品2.4微珠光体低合金高强度钢石油、天然气开发，需要大量输送管线。油气管线用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气管线用钢发展为微P低合金高强度钢。强化机理对F-P钢,P量每↑10%，将使TK↑22℃。油气管线用钢:↓C,0.1%；为保证σ，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和韧度的强化措施。→析出强化和晶粒细化↑钢性能。→Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。2、微合金元素的作用Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢晶粒主要通过以下两种方式：（1）阻止加热时奥氏体晶粒长大（2）抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C，N)和VC。Nb≤0.04%时，ΔσG＞Δσph；Nb≥0.04%时，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不变。V引起析出强化增量Δσph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。微合金元素对钢的屈服强度的影响（σG：晶粒细化的贡献σPh：析出强化的贡献）Nb对微合金化钢强度和塑性的影响V对微合金化钢强度和塑性的影响3、微合金化与热机械轧制（1）成分控制保证低碳，加入微量的一定量的微合金化元素，获得极细的晶粒度。（2）热机械轧制——热轧控制包括控制轧制和控制冷却。其中，控制轧制实质上是形变强化和相变强化的结合；控制冷却时最大限度地细化铁素体晶粒及获得最佳的析出强化效应。（3）微合金化元素的作用（如前面所述）控制热轧和控制冷却的工艺参数（了解）轧制过程可分为加热、粗轧和精轧三个阶段。控制轧制和控制冷却技术高温形变热处理→F大幅度晶粒细化→↑强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成图各种轧制程序模式图CR：控制轧制；AcC:控制冷却2.5针状铁素体钢对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金高强度钢。基本特点针状铁素体（acicularferrite，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。≤0.06％C+适量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位错（1010cm－2）亚结构的“针状F”组织（超低碳B）。σs达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好.用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。合金元素的作用碳低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀；降低对韧性的损害。锰Mn推迟铁素体-珠光体相变，降低BS点，使针状的铁素体在450℃以下形成；也是